Repensando la ciencia del reciclaje de plásticos

Dependemos de los plásticos en nuestra vida diaria, no solo para las comodidades como bolsas y botellas de plástico, sino también para aplicaciones esenciales como el envasado de alimentos y dispositivos médicos donde el plástico es simplemente el mejor material disponible. Para satisfacer la creciente demanda, los fabricantes ahora producen casi 400 millones de toneladas de plástico cada año en todo el mundo y ese número podría multiplicarse por cuatro para 2050.

Sin embargo, hoy, tiramos más de las tres cuartas partes de nuestros plásticos después de un solo uso. Si no se trata en los vertederos o el medio ambiente, estos desechos pueden tardar miles de años en descomponerse. Pero, ¿qué pasaría si pudiéramos convertir estos plásticos en productos de alta calidad como aceites lubricantes, detergentes o cosméticos?

"Nos hicimos la pregunta: 'Plástico, plástico en todas partes: ¿qué podemos hacer al respecto en términos de reciclaje químico?'", Dijo Max Delferro, líder del grupo del Programa de Ciencias de Catálisis en la división de Ciencias e Ingeniería Química del Departamento de Ingeniería de los Estados Unidos. Laboratorio Nacional de Argonne de Energy (DOE).

"Entonces, reunimos un equipo talentoso con el Laboratorio Ames del DOE e investigadores de las mejores universidades para proporcionar una solución". Los socios de la academia incluyeron la Universidad Northwestern, la Universidad Cornell, la Universidad de Carolina del Sur y la Universidad de California, Santa Bárbara.

"Nos hicimos la pregunta: 'Plástico, plástico en todas partes: ¿qué podemos hacer al respecto en términos de reciclaje químico?'" – Max Delferro, líder del grupo del Programa de Ciencias de Catálisis en la división de Ciencias e Ingeniería Química

"Ciertamente, hay cosas que podemos hacer como sociedad para reducir el consumo de plásticos en algunos casos, pero siempre habrá casos en los que los plásticos son difíciles de reemplazar, por lo que realmente queremos ver qué podemos hacer para encontrar valor en los desechos, "dijo Aaron Sadow, científico y líder del equipo del proyecto en el Laboratorio Ames.

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Si bien algunos desechos de plástico se reciclan, el producto resultante generalmente es de menor calidad y valor que el polímero original. En un estudio publicado recientemente en la revista ACS Central Science, el equipo multiinstitucional informó sobre un método catalítico para convertir selectivamente los plásticos desechados en productos de mayor calidad, como aceites lubricantes o ceras. A su vez, las ceras se pueden procesar en productos cotidianos como detergentes y cosméticos.

Los plásticos, como el polietileno, no se degradan fácilmente debido a sus enlaces carbono-carbono muy fuertes. "Intentamos recuperar la alta energía que mantiene unidos esos enlaces convirtiendo catalíticamente las moléculas de polietileno en productos comerciales de valor agregado", dijo Delferro. El polietileno y otras poliolefinas, en particular, son difíciles de deconstruir catalíticamente.

El catalizador en sí consiste en nanopartículas de platino, cada una de apenas dos nanómetros de tamaño, mantenidas en su lugar en nanocuboides de perovskita de aproximadamente cien nanómetros de tamaño (imagen central en la figura adjunta). El equipo eligió la perovskita porque es muy estable bajo las exigentes temperaturas y presiones requeridas para la catálisis y ha demostrado ser un material excepcionalmente bueno para la conversión de energía.

Para la difícil tarea de depositar nanopartículas de un material en nanopartículas más grandes de otro material, el equipo optó por un enfoque de deposición de capa atómica para el desarrollo del catalizador, una técnica desarrollada en Argonne y Northwestern que permite un control preciso del tamaño de las nanopartículas.

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Para probar el catalizador, los autores comenzaron con un polietileno de grado de investigación, el componente más común en plástico. Bajo las condiciones de reacción apropiadas, el catalizador convirtió el polietileno en un producto líquido de alta calidad con alto rendimiento. Luego, probaron el catalizador con una bolsa de plástico comercial. Sorprendentemente, el catalizador fue tan efectivo con la bolsa de plástico como el polietileno puro, y produjo mucho menos hidrocarburos ligeros (metano, etano, etc.) generados por la pirólisis. Este proceso implica el calentamiento a altas temperaturas, o el uso de un catalizador convencional que consiste en nanopartículas de platino en un sustrato de alúmina.

Tras un estudio adicional en el laboratorio, que incluyó cálculos teóricos, el equipo descubrió que dos características principales contribuyen a la efectividad de su catalizador. Una es la estabilidad térmica de las nanopartículas de platino en las partículas de perovskita más grandes, debido a la estrecha coincidencia geométrica entre las formas cúbicas de las nanopartículas y el soporte. La otra es la no porosidad del material de perovskita, que promueve la reacción catalítica.

"Nuestro equipo está encantado de haber descubierto esta nueva tecnología que nos ayudará a adelantarnos a la creciente cuestión de la acumulación de desechos plásticos", dijo Kenneth R. Poeppelmeier, profesor de química Charles E. y Emma H. Morrison en el Colegio Weinberg de Northwestern. Artes y Ciencias, así como director del Centro de Catálisis y Ciencias de la Superficie de Northwestern y miembro del Programa de Plásticos, Ecosistemas y Salud Pública. "Nuestros hallazgos tienen amplias implicaciones para desarrollar un futuro en el que podamos seguir beneficiándonos de los materiales plásticos, pero hacerlo de una manera que sea sostenible y menos dañina para el medio ambiente y potencialmente para la salud humana".

"La contaminación plástica es obviamente un gran problema", agregó Delferro. "Nadie quiere ir de vacaciones a la playa solo para encontrar plásticos esparcidos por todas partes. Si bien nuestro catalizador aún necesita un mayor desarrollo, nuestros resultados parecen muy prometedores para contribuir a la misión de los laboratorios nacionales de resolver algunos de los problemas más complejos del mundo".